《Advanced Materials》：3D打印多面体生物支架，用于神经和血管化骨再生

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发布时间：2023-07-28 17:20
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2023年7月11日，中国科学院上海硅酸盐研究所吴成铁团队联合王亮研究员在《Advanced Materials》上发表题为Polyhedron-like Biomaterials for Innervated and Vascularized Bone Regeneration的研究论文，报道了采用DLP 3D打印技术成功设计并制造了一系列具有空间拓扑结构的多面体类生物陶瓷支架，并在促进血管化和神经支配骨再生方面表现出巨大的潜力。

原文链接：

//doi.org/10.1002/adma.202302716

研究简介

神经血管网络在骨膜、皮质骨和松质骨中密集分布，对骨再生和骨重塑具有重要意义。尽管骨组织工程已取得重大进展，但骨再生效果不佳，骨融合延迟仍然是个问题。本文以开放结构的空间填充多面体为灵感，通过3D打印技术制备具有空间拓扑结构的类多面体支架，以模拟松质骨的网状结构。

多面体样支架得益于其空间拓扑结构，通过激活PI3K-Akt信号，极大地促进了骨间充质干细胞(BMSCs)的成骨分化，并在血管生成和神经生成方面表现出令人满意的效果。计算流体动力学(CFD)模拟表明，多面体样支架具有相对较低的面积加权平均静压，有利于成骨。

体内实验进一步证明多面体样支架能明显促进骨形成和骨整合，以诱导血管化和神经长入，从而实现神经支配和血管化骨再生。该成果为制造多功能支架提供了一种新方法，无需额外的外源种子细胞和生长因子，这在功能性组织再生和进一步的临床转化方面具有很大的潜力。

研究内容解读

本文以松质骨复杂的网状结构为灵感，利用DLP 3D打印技术成功设计并制造了一系列具有空间拓扑结构的多面体类生物陶瓷支架。首先，多面体类支架的机械强度和孔隙度易于通过编程设计进行调节。其次，多面体样支架通过激活PI3K-Akt信号通路，对rBMSCs的增殖、粘附和成骨分化活性有刺激作用。此外，计算流体力学(CFD)模拟进一步阐明了成骨的可能机制。多面体样支架也具备在体外诱导血管生成、神经分化和神经突延伸的能力。

更重要的是，根据影像学和组织学分析，多面体样支架植入兔股骨缺损后，可以观察到明显的神经支配和血管化骨再生。研究表明，在不添加外源种子细胞和生长因子的情况下，这将是神经和血管化骨再生的一种新策略，也为其他复杂结构组织的再生提供了一个可行性很高的解决方案。

策略多面体类生物陶瓷支架的设计与制备及其在神经血管化骨再生中的应用

图1 3D打印类多面体生物陶瓷支架及交叉支架的设计与制作。

图2 rBMSCs在3D打印多面体支架中的黏附、增殖和成骨分化活性。

图3 多面体生物陶瓷支架与交叉支架的CFD模拟。

图4 植入10周后多面体样支架和交叉支架体内骨再生能力的组织学分析。

研究结论

本研究采用DLP 3D打印技术成功开发了一系列具有不同空间拓扑结构的类多面体生物陶瓷支架，模拟了松质骨的复杂结构，在促进血管化和神经支配骨再生方面表现出巨大的潜力。多面体类支架的力学强度和孔隙率可根据定制设计进行调整。研究表明，松质骨模拟类多面体生物陶瓷支架或是一种有效实现神经血管化骨再生的新方法，且无需额外的外源细胞或生长因子，是设计复杂组织再生多功能生物材料的一个新策略。

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